Growth of low dislocation density indium oxide single crystal layer to elucidate intrinsic electron mobility

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K04947
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 後藤 健 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50572856)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 熊谷 義直 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 卓越教授 (20313306)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ハライド気相成長法 / 酸化インジウム / 高移動度半導体 / ワイドバンドギャップ半導体 / バッファ層

Outline of Annual Research Achievements

新しい半導体材料を用いたデバイスの性能を予測するには、材料固有の物性値を求める必要がある。中でも電子移動度（μ）は、様々なデバイス性能指標に算出に用いられ、高い数値であることが望ましい。酸化インジウム（In2O3）は約3 eVのエネルギーギャップを有する半導体材料であるが、高い結晶性を有する高純度膜が得られておらず、正確なデバイス性能予測に資する材料固有のμが実験的に求められていない。ハライド気相成長（HVPE）法を用いてサファイア基板上に成長したIn2O3は、結晶中の転位密度が10^10 cm^-2と高いながらもμは約230 cm^2/Vsを示し、高いμを必要とする高速デバイスへの応用の可能性が示唆されたため、高い結晶性を有する高純度In2O3単結晶薄膜を取得し、材料固有のμを明らかにすることを本研究の目的とした。
まず、サファイア基板とHVPE法を用いて成長するIn2O3層の間に挿入する中間バッファ層のスズ添加In2O3（ITO）のスパッタ成膜条件がIn2O3成長層の結晶品質に与える影響を調査し、400℃で30 nm堆積したITO膜を用いることで結晶方位のバラつき（ツイスト角）が抑制できることを見出した。続いて成長層のμを評価するためにホール効果測定を行ったが、電気的にITO膜の影響を排除することが困難であったため、電界効果トランジスタやダブルショットキーバリアダイオードを作製し、デバイス特性からμを評価することとした。しかし、プロセス難易度が高くμの評価には不備が生じた。なお、成長層の転位密度評価には試料破壊を伴う透過型電子顕微鏡（TEM）観察が必要なため、デバイス作製を優先している。
ITOを中間バッファ層とすることで結晶性向上は確認できたが、電気的にμを評価することは困難であり、ITOの影響が排除可能な（例えば光学的な）μの評価方法が必要であることが分かった。